CN109579318B - 一种高效率低热损可储热的非成像聚光集热器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种高效率低热损可储热的非成像聚光集热器，包括复合抛物面反射镜和真空集热管，所述真空集热管由双层真空玻璃管组成，包括内玻璃管和外玻双层真空集热管，内外管空隙抽真空处理；在真空集热管内部设置有导热翅片金属管和U型导热管，导热翅片金属管的径向切面为一外圆内接三片夹角为120度的翅片组成，三片翅片将导热翅片金属管内部区域分隔成三个区域，其中两个区域存储换热介质，一个区域填充储热介质；在填充换热介质的两个区域内设置U型导热管，所述U型导热管固定在与导热翅片金属管的两个相邻翅片的中点相切的位置。解决了热量不能及时被集热管里吸热介质及时移走，而导致真空集热管内换热介质升温过高挤坏集热管的问题。

Description

一种高效率低热损可储热的非成像聚光集热器

技术领域

本发明涉及中高温聚光太阳能集热领域，尤其涉及一种高效率低热损可储热的非成像聚光集热器。

背景技术

太阳能集热器是收集太阳能的主要部件。现有的太阳能集热器的品种很多，根据是否聚光可分为：聚光型集热器和非聚光型集热器，非聚光型集热器产品由于没有反射聚光部件，其热效率大大降低，而目前推广使用最多的是聚光型集热器产品。而聚光型集热器产品根据聚光方式又可分：为成像聚光集热器非成像聚光集热器。所谓非成像聚光器就是在集热管上不产生太阳像，太阳的辐射聚焦在集热管曲面上。成像聚光集热器则是在集热管上要形成太阳像，并且成像聚光集热器要求跟踪太阳，而且对跟踪精度都要求比较高。

非成像聚光集热器作为中高温集热器的一种,能够获得较高的集热温度,广泛应用于工业制热水、家用采暖、制冷空调等生产和生活领域。目前集热器的集热管中仅装填为一种储热介质，传热效果比较差，热量不能及时被集热管里吸热介质及时移走，容易导致真空集热管内储热介质升温过高储换热介质膨胀挤坏集热管，进而影响集热器产品的性能和使用寿命，且光热效率不佳。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种高效率低热损可储热的非成像聚光集热器。该集热器通过在两个夹角为120度的翅片管内部填充导热系数高的换热介质，可以有效地解决热量不能及时被集热管里吸热介质及时移走，进而导致真空集热管内换热介质升温过高挤坏集热管，最终影响集热器产品的性能和使用寿命的问题。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

一种高效率低热损可储热的非成像聚光集热器，包括复合抛物面反射镜和真空集热管，所述真空集热管由双层真空玻璃管组成，包括内玻璃管和外玻双层真空集热管，内外管空隙抽真空处理；在真空集热管内部设置有导热翅片金属管和U型导热管，其特征在于：

导热翅片金属管的径向切面为一外圆内接三片夹角为120度的翅片组成，三片翅片将导热翅片金属管内部区域分隔成三个区域，其中两个区域存储换热介质，一个区域填充储热介质；在填充换热介质的两个区域内设置一进一出的U型导热管，所述U型导热管固定在与导热翅片金属管的两个相邻翅片的中点相切的位置。

U型导热管外壁面均匀分布有螺纹凸型线条。

导热翅片金属管外圆周与内玻璃管内表面紧密接触，并且导热翅片金属管外径等于真空集热管内径。

所述储热介质和换热介质的填充系数均为80％。

上述的真空集热管内部及U型导热管构成一组集热管，多组集热管内的U型导热管依次串联连接。

所述储热介质为包括相变材料、新型LMP有机熔盐、无机盐、导热油中的至少一种，所述换热介质为导热硅脂材料。

该非成像聚光集热器还包括侧壁微曲面反射装置，侧壁微曲面反射装置设置在在真空集热管与侧壁对接接口部位处，用以将照射到真空集热管接口侧面的太阳光线反射到真空集热管上。

所述侧壁微曲面反射装置，包括保温材料、反射装置固定面、橡胶圈、反射镜，保温材料为聚氨酯材料，填充在真空集热管侧壁与反射装置固定面的间隙里；反射装置固定面为硬质的环氧树脂保温材料；橡胶圈的横截面为凹槽形状，中心孔套在真空集热管外环壁面上

所述反射镜的曲度规格为半径为100mm，弧长所对应的角度值为30度；所述反射镜通过耐高温粘结剂与反射装置固定面粘结在一起，通过橡胶圈将反射镜和反射装置固定面安装在真空集热管径向外壁上，并与真空集热管轴线垂直。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明突出的实质性特点是：

与储换热介质均为同一介质的集热器相比，将储热选用比热容大的介质，换热选用导热系数大的介质，这样通过储热介质可以有效地把太阳辐射能量吸收并储存，避免了集热器内部热量透过真空集热管以热辐射的方式向外散失的问题，从而降低集热器热损。并通过在另外两个夹角为120度的翅片管内部填充填充导热系数高的换热介质，可以有效地解决热量不能及时被集热管里吸热介质及时移走，进而导致真空集热管内换热介质升温过高挤坏集热管，最终影响集热器产品的性能和使用寿命的问题。

具体地讲，本发明的有益效果如下：

(1)本发明通过设置导热翅片金属管可以有效地解决集热管内温度分布不均匀的问题，防止局部温度过热，更重要的是，还能起到强化传热的效果，增大热传递速率。

(2)本发明在真空集热管内增加一种新的导热介质，还能起到强化传热的效果，增大热传递速率，使两种材料同时存在，通过将储热介质与换热介质分别选用不同材料，储热介质选用比热容大的介质，换热介质选用导热系数大的介质，这样一来，与储换热介质均为同一介质的集热器相比，将储热选用比热容大的介质，换热选用导热系数大的介质，这样通过储热介质可以有效地把太阳辐射能量吸收并储存，避免了集热器内部热量透过真空集热管以热辐射的方式向外散失的问题，从而降低集热器热损。并通过在另外两个夹角为120度的翅片管内部填充填充导热系数高的换热介质，可以有效地解决热量不能及时被集热管里吸热介质及时移走，进而导致真空集热管内换热介质升温过高挤坏集热管，最终影响集热器产品的性能和使用寿命的问题。

(3)本发明通过改变U型导热管结构及布置位置，极大地提高了光热转化率。具体地，U型导热管外侧均匀分布有螺纹凸型线条，增加了换热面积，并且将U型导热管固定在与导热金属翅片中点相切的位置时，且U型导热管的中轴线与真空集热管的中轴线相互平行，当U型导热管布置在此位置时，经过trnsys光学模拟软件验证，其光热效率最佳，可达60％。与U型导热管紧贴布置在真空集热管内壁上相比，热效率提升了3％。

(4)根据导热金属翅管结构的特性，通过在一个夹角为120度的翅片管内部填充储热介质，填充系数为80％，可以有效地把太阳辐射的能量吸收并储存；并通过在另外两个夹角为120度的翅片管内部填充导热系数高的换热介质，填充系数为80％，可以及时地将真空集热管吸收的热量移走，降低真空集热管内部温度局部过热的风险。真空集热管与导热翅片金属管管口连接处通过密封管堵密封，防止储换热介质外漏。

(5)本发明实施例通过设置的侧壁微曲面反射装置将照射到真空集热管接口处的光线反射到真空集热管上有效地解决了真空集热管联接处不能吸收太阳光，造成光能浪费的问题，充分利用这部分太阳光资源，在一定程度上提高了集热器的聚光效率，进而提高了太阳能的利用率。

(6)本发明实施例通过在真空集热管内填充储热介质，即使在晚上或者阴雨天，也可以通过真空集热管内的储热介质放热，实现冷水加热的功效，很好地解决了白天太阳辐射好然而用水量少，而在晚上没太阳时需求量大的热水供需不协调问题，与传统的太阳能真空管热水器必须配备储热水箱这一设备相比，不仅省去了水箱，而且也节约了占地面积，更重要的是降低了设备的初期投资成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1提供的一种高效率低热损可储热的侧壁集热器的主视图；

图2是本发明实施例2提供的一种高效率低热损可储热的侧壁集热器的左视图；

图3是本发明实施例1提供的图1中C部放大图；

图4是本发明实施例1提供的图3中D部放大图；

图5是本发明实施例2提供的一种高效率低热损可储热的侧壁微曲面反射装置真空集热管结构示意图的剖视图；

图6是本发明实施例2提供的图2的E部放大图；

图1中各符号表示含义如下：

1复合抛物面反射镜，2真空集热管，2-1内管，2-2外管，3U型导热管，4侧壁微曲面反射装置，4-1橡胶圈，4-2侧壁微曲面反射镜，4-3反射装置固定面，4-4保温材料，5导热翅片金属管，6换热介质，7储热介质，8密封管堵。

A区域箭头指向为照射到侧壁微曲面反射装置4的太阳光入射方向，B区域箭头指向为反光装置反射到真空集热管2上的太阳光反射方向。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

参见图1、图3、图4所示，一种高效率低热损可储热的非成像聚光集热器，包括侧壁微曲面反射装置4，通过在真空集热管2接口部位设置反射镜4-2，可以有效的将照射到真空集热管2接口部位的侧向太阳光线反射到真空集热管2上，提高聚光效率。所述侧壁微曲面反射装置4设置在现有技术真空集热管2接口部位；所述侧壁微曲面反射装置4包括保温材料4-4、反射装置固定面4-3、橡胶圈4-1、侧壁微曲面反射镜4-2；所述真空集热管2选用海纳德品牌真空集热管。所述侧壁微曲面反射镜4-2曲度规格为半径为100mm,弧长所对应的角度值为30度，具体大小取决于复合抛物面反射镜1和整块集热器的大小；所述侧壁微曲面反射装置4安装在真空集热管2的接口外壁圆周上，真空集热管2两端面突出侧壁反射镜4-2轴面30mm,通过耐高温粘接剂固定；所述橡胶圈4-1的中心孔套装在真空集热管2的外壁上，通过耐高温粘接剂固定；所述橡胶圈4-1的横截面为凹槽形状。

所述侧壁微曲面反射镜4-2是一种利用反射定律工作的光学材料，用于改变光线方向的高反射率光滑表面，且为曲面反射，在太阳能领域中已广泛使用。

侧壁微曲面反射镜4-2为钢化玻璃，在其玻璃背面，镀有金属银，构成光学反射元件，反射镜4-2通过耐高温粘结剂与反射装置固定面4-3粘结在一起，通过橡胶圈4-1将侧壁微曲面反射镜4-2和反射装置固定面4-3安装在真空集热管2径向外壁上，并与真空集热管2轴线垂直。

侧壁微曲面反射镜4-2内部留有圆形孔，大小取决于真空集热管2外径，圆形孔内设置有橡胶圈4-1，通过橡胶圈4-1将侧壁微曲面反射镜4-2和反射装置固定面4-3安装在所述真空集热管2径向外壁上，并与真空集热管2的轴线垂直。

所述保温材料选用聚氨酯材料。

所述反射装置固定面为硬质的环氧树脂保温材料，所述环氧树脂保温材料主要由环氧树脂、固化剂、稀释剂、增韧剂、填料、骨料以及其他助剂等组成。

本实施例的工作原理：参见图3所示，照射到侧壁微曲面反射装置4的太阳光入射方向A，反射到真空集热管2上的太阳光反射方向B。由于在真空集热管2径向外壁上设置安装了侧壁微曲面反射装置4，当太阳光入射A时，通过侧壁微曲面反射装置4进行反光B，可以将以往不能被真空集热管2吸收的的太阳光经过侧壁微曲面反射装置4反射过后，可以使光线照射在真空集热管2上，被真空集热管2吸收，从而增加了真空集热管2吸收的太阳辐射量，这样减少了关系损失。且选择微曲面反射装置能够提高聚光效果。

通过在真空集热管与集热器边框接口部位安装侧壁微曲面反射装置，可以有效的将照射到真空集热管接口部位的太阳光线反射到真空集热管上，提高聚光效率。此外，通过设置侧壁微曲面反射装置4，避免了太阳光能及反射后的太阳光能对原保温材料部分的高温损害，延长保温材料的使用寿命；侧壁微曲面反射装置4结构简单，易于安装。

实施例2

本实施例高效率低热损可储热的非成像聚光集热器，包括复合抛物面反射镜1、真空集热管2、侧壁微曲面反射装置4，所述真空集热管2由双层真空玻璃管组成，包括内玻璃管2-1和外玻双层真空集热管2-2，内外管空隙抽真空处理；在真空集热管内部设置有导热翅片金属管5和U型导热管3，导热翅片金属管5的径向切面为一外圆内接三片夹角为120度的翅片组成，三片翅片将导热翅片金属管5内部区域分隔成三个区域，其中两个区域存储换热介质6，一个区域填充储热介质7；在填充换热介质的两个区域内设置一进一出的U型导热管，导热翅片金属管5圆管与翅片为一体化结构。上述的真空集热管内部及U型导热管构成一组集热管。

一个集热器内布置多组集热管，多组集热管内的U型导热管依次串联连接，每个U型导热管的单管程长度为1830mm，直径为15mm，U型导热管外壁面均匀分布有螺纹凸型线条。

所述导热翅片金属管5为铝制材料制成，且为圆柱形结构，所述U型导热管3通过焊接方法固定在与导热翅片金属管5的两个相邻翅片的中点相切的位置。导热金属翅片不仅能起到强化传热效果，还能起到支撑固定集热器的作用，增大热传递速率。

所述复合抛物面外聚光反射镜1，外形类似W字形状，最大太阳接受角为70度，相邻两复合抛物面反射镜1外边缘紧密连接，所述复合抛物面反射镜1的底部成尖突形状，其尖顶位于真空集热管2正下方，与真空集热管2相距(20-50)mm。

所述储热介质7至少包括但不限于此：相变材料、新型LMP有机熔盐、常规无机盐、导热油等，所述储热介质7范围在(0—300)℃范围内具有良好的蓄热性能，填充在导热翅片金属管5与集热管环形缝隙内，填充系数为80％，真空集热管2一端通过密封管堵8密封。

所述换热介质6为导热硅脂材料，所述换热介质6在(0-300)℃范围内具有良好的导热性能及稳定性，密度低，与同体积熔盐相比，质量仅为其百分之一，与传统熔盐导热系数(0.5W/(m·℃))相比较，其导热硅脂导热材料导热系数最高可达到5W/(m·℃)，热传导速率提升了10倍，从而可有效防止热量积累产生局部过热降低集热器产品性能的现象发生。所述导热硅脂材料填充在导热翅片金属管与U型导热管环形缝隙内，填充系数为80％，真空集热管2一端通过密封管堵8密封。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高效率低热损可储热的非成像聚光集热器，包括复合抛物面反射镜和真空集热管，所述真空集热管由双层真空玻璃管组成，包括内玻璃管和外玻双层真空集热管，内外管空隙抽真空处理；在真空集热管内部设置有导热翅片金属管和U型导热管，其特征在于：

导热翅片金属管的径向切面为一外圆内接三片夹角为120度的翅片组成，三片翅片将导热翅片金属管内部区域分隔成三个区域，其中两个区域存储换热介质，一个区域填充储热介质；在填充换热介质的两个区域内设置一进一出的U型导热管，所述U型导热管固定在与导热翅片金属管的两个相邻翅片的中点相切的位置；

导热翅片金属管外圆周与内玻璃管内表面紧密接触，并且导热翅片金属管外径等于真空集热管内径；

所述非成像聚光集热器还包括侧壁微曲面反射装置，侧壁微曲面反射装置设置在真空集热管与侧壁对接接口部位处，用以将照射到真空集热管接口侧面的太阳光线反射到真空集热管上；

所述侧壁微曲面反射装置，包括保温材料、反射装置固定面、橡胶圈、反射镜，保温材料为聚氨酯材料，填充在真空集热管侧壁与反射装置固定面的间隙里；反射装置固定面为硬质的环氧树脂保温材料；橡胶圈的横截面为凹槽形状，中心孔套在真空集热管外环壁面上；

所述反射镜通过耐高温粘结剂与反射装置固定面粘结在一起，通过橡胶圈将反射镜和反射装置固定面安装在真空集热管径向外壁上，并与真空集热管轴线垂直。

2.根据权利要求1所述的非成像聚光集热器，其特征在于，U型导热管外壁面均匀分布有螺纹凸型线条。

3.根据权利要求1所述的非成像聚光集热器，其特征在于，所述储热介质和换热介质的填充系数均为80％。

4.根据权利要求1所述的非成像聚光集热器，其特征在于，上述的真空集热管内部及U型导热管构成一组集热管，多组集热管内的U型导热管依次串联连接。

5.根据权利要求1所述的非成像聚光集热器，其特征在于，所述储热介质为包括相变材料、新型LMP有机熔盐、无机盐、导热油中的至少一种，所述换热介质为导热硅脂材料。

6.根据权利要求1所述的非成像聚光集热器，其特征在于，所述反射镜的曲度规格为半径为100mm，弧长所对应的角度值为30度。